JP2003194699A - 信号検出装置、及び信号検出装置を用いた非接触型原子間力顕微鏡 - Google Patents
信号検出装置、及び信号検出装置を用いた非接触型原子間力顕微鏡Info
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- JP2003194699A JP2003194699A JP2001398610A JP2001398610A JP2003194699A JP 2003194699 A JP2003194699 A JP 2003194699A JP 2001398610 A JP2001398610 A JP 2001398610A JP 2001398610 A JP2001398610 A JP 2001398610A JP 2003194699 A JP2003194699 A JP 2003194699A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】位相遅れを大幅に改善することができ、装置動
作の安定化を図ることが容易となり、急激な周波数また
は位相変化が起きた場合でも、プローブの加振が継続さ
れ、安定的な動作の実現が可能となる信号検出装置、及
び信号検出装置を用いた非接触型原子間力顕微鏡を提供
する。 【解決手段】加振手段によってプローブを共振点で加振
させ、非接触のもとでのサンプル表面とプローブの探針
との間の物理的相互作用によるプローブの共振周波数の
シフト量に相当する信号を検出する信号検出装置におい
て、前記加振手段を、プローブの共振周波数の位相変化
に基づいて制御された駆動周波数によって、該プローブ
を共振点で加振するプローブ加振機構によって構成す
る。
作の安定化を図ることが容易となり、急激な周波数また
は位相変化が起きた場合でも、プローブの加振が継続さ
れ、安定的な動作の実現が可能となる信号検出装置、及
び信号検出装置を用いた非接触型原子間力顕微鏡を提供
する。 【解決手段】加振手段によってプローブを共振点で加振
させ、非接触のもとでのサンプル表面とプローブの探針
との間の物理的相互作用によるプローブの共振周波数の
シフト量に相当する信号を検出する信号検出装置におい
て、前記加振手段を、プローブの共振周波数の位相変化
に基づいて制御された駆動周波数によって、該プローブ
を共振点で加振するプローブ加振機構によって構成す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、サンプルの表面形
状を、プローブの先端とサンプル表面との間の物理的相
互作用を利用して信号を検出する信号検出装置、及び信
号検出装置を用いた顕微鏡装置に関し、特に、原子間力
を利用してサンプル表面を非接触に観察する、非接触型
原子間力顕微鏡に好適な信号検出装置に関する。
状を、プローブの先端とサンプル表面との間の物理的相
互作用を利用して信号を検出する信号検出装置、及び信
号検出装置を用いた顕微鏡装置に関し、特に、原子間力
を利用してサンプル表面を非接触に観察する、非接触型
原子間力顕微鏡に好適な信号検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、導体の電子構造を直接観察できる
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の開発以来、原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、近
接場顕微鏡（ＳＮＯＭ）といった、先端の尖ったプロー
ブを走査することにより様々な情報とその分布を得る顕
微鏡装置が、次々と開発されている。現在、これらの顕
微鏡は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と総称され、
原子、分子レベルの解像度をもつ微細構造の観察手段と
して広く用いられている。
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の開発以来、原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、近
接場顕微鏡（ＳＮＯＭ）といった、先端の尖ったプロー
ブを走査することにより様々な情報とその分布を得る顕
微鏡装置が、次々と開発されている。現在、これらの顕
微鏡は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と総称され、
原子、分子レベルの解像度をもつ微細構造の観察手段と
して広く用いられている。
【０００３】ＡＦＭは、原子間力により生じるプローブ
のたわみを検出することにより、サンプル表面の微細な
凹凸を観察する顕微鏡である。このＡＦＭ観察によれ
ば、導体のサンプルしか観察できないＳＴＭと違って、
サンプルが絶縁体であっても容易に観察を行うことがで
きることから、その応用範囲は広い。そのため、次世代
の原子・分子操作装置としても注目されており、様々な
報告がされている。
のたわみを検出することにより、サンプル表面の微細な
凹凸を観察する顕微鏡である。このＡＦＭ観察によれ
ば、導体のサンプルしか観察できないＳＴＭと違って、
サンプルが絶縁体であっても容易に観察を行うことがで
きることから、その応用範囲は広い。そのため、次世代
の原子・分子操作装置としても注目されており、様々な
報告がされている。
【０００４】特に、非接触領域（引力領域）において、
プローブ先端とサンプル表面との物理的な接触なしにサ
ンプル表面形状を観察することができるものとして、非
接触型原子間力顕微鏡（ｎｃＡＦＭ）が知られている。
このｎｃＡＦＭは、プローブを共振点で加振させ、サン
プル表面とプローブの探針との間の物理的相互作用（プ
ローブの探針とサンプル表面との間に働く分子間力）に
よるプローブの共振周波数のシフト量を検出することに
より、サンプル表面形状の観察を行うＡＦＭである
（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６９（２），１５ Ｊａｎ
ｕａｒｙ １９９１）。
プローブ先端とサンプル表面との物理的な接触なしにサ
ンプル表面形状を観察することができるものとして、非
接触型原子間力顕微鏡（ｎｃＡＦＭ）が知られている。
このｎｃＡＦＭは、プローブを共振点で加振させ、サン
プル表面とプローブの探針との間の物理的相互作用（プ
ローブの探針とサンプル表面との間に働く分子間力）に
よるプローブの共振周波数のシフト量を検出することに
より、サンプル表面形状の観察を行うＡＦＭである
（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６９（２），１５ Ｊａｎ
ｕａｒｙ １９９１）。
【０００５】図１に、従来例における非接触型原子間力
顕微鏡（ｎｃＡＦＭ）の構成図を示す。プローブの加振
はアクチュエータ１０２で行われ、その制御には主にＩ
／Ｖ変換回路１０８、ゲインコントロール回路１０９、
位相シフタ１１１が用いられる。レーザダイオード１０
６より照射された光はプローブ１０１の先端で反射して
光電変換素子１０７に入射する（光てこ方式）。光電変
換素子１０７として２分割フォトダイオードや、４分割
フォトダイオード等を使用することによって、プローブ
１０１先端の変位（たわみ量）を知ることができる。そ
のため、プローブ１０１の加振時の周波数情報も光電変
換素子１０７の出力として得られる。ゲインコントロー
ル回路１０９は入力された信号（ここではＩ／Ｖ変換回
路１０８の出力）の強度を一定にして出力するような回
路で、アクチュエータ１０２への印加電圧を制御してい
る。位相シフタ１１１はゲインコントロール回路１０９
の出力の位相と、プローブ１０１の位相とが同位相にな
るように調整することによって、系の発振を促し、プロ
ーブ１０１の共振を実現させている。図のような構成を
とることにより、プローブ１０１先端に外力（原子間
力）による影響で共振点が変動しても、その変動した共
振点でプローブ１０１を加振させることが可能になる。
顕微鏡（ｎｃＡＦＭ）の構成図を示す。プローブの加振
はアクチュエータ１０２で行われ、その制御には主にＩ
／Ｖ変換回路１０８、ゲインコントロール回路１０９、
位相シフタ１１１が用いられる。レーザダイオード１０
６より照射された光はプローブ１０１の先端で反射して
光電変換素子１０７に入射する（光てこ方式）。光電変
換素子１０７として２分割フォトダイオードや、４分割
フォトダイオード等を使用することによって、プローブ
１０１先端の変位（たわみ量）を知ることができる。そ
のため、プローブ１０１の加振時の周波数情報も光電変
換素子１０７の出力として得られる。ゲインコントロー
ル回路１０９は入力された信号（ここではＩ／Ｖ変換回
路１０８の出力）の強度を一定にして出力するような回
路で、アクチュエータ１０２への印加電圧を制御してい
る。位相シフタ１１１はゲインコントロール回路１０９
の出力の位相と、プローブ１０１の位相とが同位相にな
るように調整することによって、系の発振を促し、プロ
ーブ１０１の共振を実現させている。図のような構成を
とることにより、プローブ１０１先端に外力（原子間
力）による影響で共振点が変動しても、その変動した共
振点でプローブ１０１を加振させることが可能になる。
【０００６】位相検出回路１１０、サーボ回路１１２は
スキャナ１０５のＺ方向（サンプル１０３に対して垂直
方向）の制御を行う部分である。ここではプローブ１０
１先端とサンプル１０３表面が近接したことによるプロ
ーブ１０１の共振点のシフト量が、常に一定値になるよ
うに制御する。スキャナ１０５をＸＹコントローラ１０
４によってＸＹ方向（面方向）に動かし、サンプル１０
３表面をプローブ１０１で走査した時のＺ方向の制御量
がサンプル表面の観察像として出力される。ここで、位
相検出回路１１０はシフトしたプローブ１０１共振周波
数を電圧値に変換して出力する回路である。構成として
はＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ ＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）回路が
よく用いられ、その出力値をサーボ回路１１２に入力し
ている。
スキャナ１０５のＺ方向（サンプル１０３に対して垂直
方向）の制御を行う部分である。ここではプローブ１０
１先端とサンプル１０３表面が近接したことによるプロ
ーブ１０１の共振点のシフト量が、常に一定値になるよ
うに制御する。スキャナ１０５をＸＹコントローラ１０
４によってＸＹ方向（面方向）に動かし、サンプル１０
３表面をプローブ１０１で走査した時のＺ方向の制御量
がサンプル表面の観察像として出力される。ここで、位
相検出回路１１０はシフトしたプローブ１０１共振周波
数を電圧値に変換して出力する回路である。構成として
はＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ ＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）回路が
よく用いられ、その出力値をサーボ回路１１２に入力し
ている。
【０００７】また、特開平８−１６６３９６号公報で
は、プローブ先端の変位情報（ＡＦＭ信号）を２値化
し、振幅・位相を調整した後、プローブ加振用のアクチ
ュエータに印加して自励発振を促す構成を有すること
で、ＡＧＣを用いないｎｃＡＦＭ装置を提案している。
は、プローブ先端の変位情報（ＡＦＭ信号）を２値化
し、振幅・位相を調整した後、プローブ加振用のアクチ
ュエータに印加して自励発振を促す構成を有すること
で、ＡＧＣを用いないｎｃＡＦＭ装置を提案している。
【０００８】このようなｎｃＡＦＭ観察によれば、観察
は非接触領域において行われるので、プローブ先端とサ
ンプル表面とが接触することによる影響を回避すること
ができる。このようなことから、ｎｃＡＦＭは原子・分
子操作装置としての応用がより一層期待されている。
は非接触領域において行われるので、プローブ先端とサ
ンプル表面とが接触することによる影響を回避すること
ができる。このようなことから、ｎｃＡＦＭは原子・分
子操作装置としての応用がより一層期待されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例のように、
プローブの加振機構をゲインコントロール回路と位相シ
フタ回路を用いた自励発振系で構成すると、プローブを
常にその共振点で加振させるため、測定系の感度を向上
できる。ゲインコントロール回路は、ピークディテクタ
回路、整流回路、積分回路、フィルタなどを用いて、ル
ープ回路で構成される。
プローブの加振機構をゲインコントロール回路と位相シ
フタ回路を用いた自励発振系で構成すると、プローブを
常にその共振点で加振させるため、測定系の感度を向上
できる。ゲインコントロール回路は、ピークディテクタ
回路、整流回路、積分回路、フィルタなどを用いて、ル
ープ回路で構成される。
【００１０】しかしながら、このような従来例の構成で
プローブの加振機構を構成すると、回路構成が複雑にな
り、かつ回路規模も大きくなってしまう。プローブ加振
系のループの中に、ゲインコントロール回路のループが
存在する構成であるため、位相遅れ要因が多く、利得の
変化（プローブの振幅値を一定に保つため）による位相
変化の度合いによっては、系が不安定になり易く、発振
が停止してしまうこともあった。さらに、回路数が多い
ため、配線の引き回しによるノイズの問題や、良好な応
答性を得ることも難しといった問題点もあった。
プローブの加振機構を構成すると、回路構成が複雑にな
り、かつ回路規模も大きくなってしまう。プローブ加振
系のループの中に、ゲインコントロール回路のループが
存在する構成であるため、位相遅れ要因が多く、利得の
変化（プローブの振幅値を一定に保つため）による位相
変化の度合いによっては、系が不安定になり易く、発振
が停止してしまうこともあった。さらに、回路数が多い
ため、配線の引き回しによるノイズの問題や、良好な応
答性を得ることも難しといった問題点もあった。
【００１１】そこで、本発明は、上記課題を解決し、位
相遅れを大幅に改善することができ、装置動作の安定化
を図ることが容易となり、急激な周波数または位相変化
が起きた場合でも、プローブの加振が継続され、安定的
な動作の実現が可能となる信号検出装置、及び信号検出
装置を用いた非接触型原子間力顕微鏡を提供することを
目的とするものである。
相遅れを大幅に改善することができ、装置動作の安定化
を図ることが容易となり、急激な周波数または位相変化
が起きた場合でも、プローブの加振が継続され、安定的
な動作の実現が可能となる信号検出装置、及び信号検出
装置を用いた非接触型原子間力顕微鏡を提供することを
目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するために、次の（１）〜（６）のように構成した信
号検出装置、及び信号検出装置を用いた非接触型原子間
力顕微鏡を提供するものである。 （１）加振手段によってプローブを共振点で加振させ、
非接触のもとでのサンプル表面とプローブの探針との間
の物理的相互作用によるプローブの共振周波数のシフト
量に相当する信号を検出する信号検出装置において、前
記加振手段が、プローブの共振周波数の位相変化に基づ
いて制御された駆動周波数によって、該プローブを共振
点で加振するプローブ加振機構によって構成されている
ことを特徴とする信号検出装置。 （２）前記プローブ加振機構が、プローブの共振周波数
の周波数シフト量に相当する信号を位相シフト量として
検出する位相検出回路と、前記位相検出回路による検出
信号を参照して、プローブ加振用のアクチュエータを駆
動する波形発生器の駆動周波数を制御する周波数コント
ロール回路と、を有することを特徴とする上記（１）に
記載の信号検出装置。 （３）前記周波数コントロール回路は、前記検出信号と
前記加振手段を加振する加振信号との位相差を一定にす
る制御手段を有することを特徴とする上記（２）に記載
の信号検出装置。 （４）前記周波数コントロール回路は、参照信号発生回
路と加算器と積分回路とスイッチを有し、該スイッチに
よって前記参照信号発生回路による周波数調整中の回路
の誤動作を防止するように構成したことを特徴とする上
記（２）または上記（３）に記載の信号検出装置。 （５）前記位相検出回路は、２値化回路，２値化回路の
出力と波形発生器の出力の位相差を比較する位相比較回
路，ロー・パス・フィルター，参照信号発生回路を有
し、前記参照信号発生回路の出力周波数に対する前記２
値化回路の出力周波数の位相のずれ量によって、プロー
ブの共振周波数の周波数シフト量を検出するように構成
されていることを特徴とする上記（２）〜（４）のいず
れかに記載の信号検出装置。 （６）加振手段によってプローブを共振点で加振させ、
サンプル表面とプローブの探針との間の物理的相互作用
によるプローブの共振周波数のシフト量に相当する信号
を検出する信号検出装置を備え、該信号検出装置による
検出信号を用いてサンプル表面を非接触に観察する非接
触型原子間力顕微鏡において、前記信号検出装置が、上
記（１）〜（５）のいずれかに記載の信号検出装置によ
って構成されていることを特徴とする非接触型原子間力
顕微鏡。
成するために、次の（１）〜（６）のように構成した信
号検出装置、及び信号検出装置を用いた非接触型原子間
力顕微鏡を提供するものである。 （１）加振手段によってプローブを共振点で加振させ、
非接触のもとでのサンプル表面とプローブの探針との間
の物理的相互作用によるプローブの共振周波数のシフト
量に相当する信号を検出する信号検出装置において、前
記加振手段が、プローブの共振周波数の位相変化に基づ
いて制御された駆動周波数によって、該プローブを共振
点で加振するプローブ加振機構によって構成されている
ことを特徴とする信号検出装置。 （２）前記プローブ加振機構が、プローブの共振周波数
の周波数シフト量に相当する信号を位相シフト量として
検出する位相検出回路と、前記位相検出回路による検出
信号を参照して、プローブ加振用のアクチュエータを駆
動する波形発生器の駆動周波数を制御する周波数コント
ロール回路と、を有することを特徴とする上記（１）に
記載の信号検出装置。 （３）前記周波数コントロール回路は、前記検出信号と
前記加振手段を加振する加振信号との位相差を一定にす
る制御手段を有することを特徴とする上記（２）に記載
の信号検出装置。 （４）前記周波数コントロール回路は、参照信号発生回
路と加算器と積分回路とスイッチを有し、該スイッチに
よって前記参照信号発生回路による周波数調整中の回路
の誤動作を防止するように構成したことを特徴とする上
記（２）または上記（３）に記載の信号検出装置。 （５）前記位相検出回路は、２値化回路，２値化回路の
出力と波形発生器の出力の位相差を比較する位相比較回
路，ロー・パス・フィルター，参照信号発生回路を有
し、前記参照信号発生回路の出力周波数に対する前記２
値化回路の出力周波数の位相のずれ量によって、プロー
ブの共振周波数の周波数シフト量を検出するように構成
されていることを特徴とする上記（２）〜（４）のいず
れかに記載の信号検出装置。 （６）加振手段によってプローブを共振点で加振させ、
サンプル表面とプローブの探針との間の物理的相互作用
によるプローブの共振周波数のシフト量に相当する信号
を検出する信号検出装置を備え、該信号検出装置による
検出信号を用いてサンプル表面を非接触に観察する非接
触型原子間力顕微鏡において、前記信号検出装置が、上
記（１）〜（５）のいずれかに記載の信号検出装置によ
って構成されていることを特徴とする非接触型原子間力
顕微鏡。
【００１３】
【発明の実施の形態】上記構成を適用して、プローブ加
振用のアクチュエータへのドライブ信号とプローブ先端
のＡＦＭ検出信号の位相差を参照して、ドライブ信号の
周波数をプローブの共振周波数と一致するようにコント
ロールする強制振動系のプローブ加振機構を構成するこ
とで、自励発振系を用いず、かつゲインコントロール回
路を用いることなくプローブをその共振点で常に一定の
振幅で加振させることを可能にする信号検出装置、原子
間力顕微鏡を実現することができる。
振用のアクチュエータへのドライブ信号とプローブ先端
のＡＦＭ検出信号の位相差を参照して、ドライブ信号の
周波数をプローブの共振周波数と一致するようにコント
ロールする強制振動系のプローブ加振機構を構成するこ
とで、自励発振系を用いず、かつゲインコントロール回
路を用いることなくプローブをその共振点で常に一定の
振幅で加振させることを可能にする信号検出装置、原子
間力顕微鏡を実現することができる。
【００１４】つぎに、本発明の実施形態における非接触
型原子間力顕微鏡（ｎｃＡＦＭ）を、図を用いて説明す
る。図２は本実施の形態における非接触型原子間力顕微
鏡の装置構成を示した図である。本装置のプローブ２０
１の加振系は、プローブ２０１・アクチュエータ２０２
・レーザダイオード２０６・光電変換素子２０７・Ｉ／
Ｖ変換回路２０８・位相検出回路２１０・周波数コント
ロール回路２０９・波形発生器２１１で構成される。ま
た、プローブ２０１とサンプル２０３の距離制御はスキ
ャナ２０５で行い、その制御系は位相検出回路２１０・
周波数コントロール回路２０９・サーボ回路２１２で構
成されている。
型原子間力顕微鏡（ｎｃＡＦＭ）を、図を用いて説明す
る。図２は本実施の形態における非接触型原子間力顕微
鏡の装置構成を示した図である。本装置のプローブ２０
１の加振系は、プローブ２０１・アクチュエータ２０２
・レーザダイオード２０６・光電変換素子２０７・Ｉ／
Ｖ変換回路２０８・位相検出回路２１０・周波数コント
ロール回路２０９・波形発生器２１１で構成される。ま
た、プローブ２０１とサンプル２０３の距離制御はスキ
ャナ２０５で行い、その制御系は位相検出回路２１０・
周波数コントロール回路２０９・サーボ回路２１２で構
成されている。
【００１５】また、サンプル２０３の表面観察は、ＸＹ
コントローラ２０４を用いてスキャナ２０５をＸＹ
（面）方向にサンプル２０３を走査することによって行
う。この時、プローブ２０１はアクチュエータ２０２に
よって共振点で加振されている。
コントローラ２０４を用いてスキャナ２０５をＸＹ
（面）方向にサンプル２０３を走査することによって行
う。この時、プローブ２０１はアクチュエータ２０２に
よって共振点で加振されている。
【００１６】共振点での加振方法を説明する。プローブ
２０１先端にレーザダイオード２０６によって光を照射
し、反射光よりプローブ２０１先端の変動を光電変換素
子２０７、Ｉ／Ｖ変換回路２０８で電圧の信号に変換す
る（光てこ方式）。なお、プローブ２０１先端の変位検
出方法は、光てこ方式に限るものではない。位相検出回
路２１０では、Ｉ／Ｖ変換回路２０８の出力電圧の周波
数変化から、プローブ２０１先端にかかる外力（原子間
力等）の影響による共振点のシフト量に相当する信号を
位相シフト量として検出する。
２０１先端にレーザダイオード２０６によって光を照射
し、反射光よりプローブ２０１先端の変動を光電変換素
子２０７、Ｉ／Ｖ変換回路２０８で電圧の信号に変換す
る（光てこ方式）。なお、プローブ２０１先端の変位検
出方法は、光てこ方式に限るものではない。位相検出回
路２１０では、Ｉ／Ｖ変換回路２０８の出力電圧の周波
数変化から、プローブ２０１先端にかかる外力（原子間
力等）の影響による共振点のシフト量に相当する信号を
位相シフト量として検出する。
【００１７】位相検出回路２１０の構成を図４に示す。
位相検出回路２１０は、２値化回路４０１・位相比較回
路４０２・ＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ；ロ
ー・パス・フィルター、以下ＬＰＦと記す）４０３で構
成される。２値化回路４０１はＩ／Ｖ変換回路の出力信
号を２値化する回路である。位相比較回路４０２は、２
値化回路４０１とプローブ２０１を加振させるアクチュ
エータ２０２のドライブ信号（波形発生器２１１の出
力）との位相差を検出する回路である。このような構成
をとることによって、位相検出回路２１０では、参照信
号発生回路の出力周波数（プローブの共振周波数）か
ら、２値化回路４０１の出力周波数の位相がどの程度ず
れたかによって、プローブ２０１の共振周波数のシフト
量を検出する。
位相検出回路２１０は、２値化回路４０１・位相比較回
路４０２・ＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ；ロ
ー・パス・フィルター、以下ＬＰＦと記す）４０３で構
成される。２値化回路４０１はＩ／Ｖ変換回路の出力信
号を２値化する回路である。位相比較回路４０２は、２
値化回路４０１とプローブ２０１を加振させるアクチュ
エータ２０２のドライブ信号（波形発生器２１１の出
力）との位相差を検出する回路である。このような構成
をとることによって、位相検出回路２１０では、参照信
号発生回路の出力周波数（プローブの共振周波数）か
ら、２値化回路４０１の出力周波数の位相がどの程度ず
れたかによって、プローブ２０１の共振周波数のシフト
量を検出する。
【００１８】位相検出回路２１０の出力は、周波数コン
トロール回路２０９に入力する。周波数コントロール回
路２０９は、波形発生器２１１の発振周波数を、常にプ
ローブ２０１の共振周波数と同じ周波数になるようにコ
ントロールするような動作を行う。波形発生器２１１
は、位相検出回路２１０の出力を参照して、ＶＣＯ（電
圧制御発振回路）等、外部の信号によってその発振周波
数を変化できる素子とその周波数信号の振幅を調整する
回路で構成される。波形発生器２１１を用いて、プロー
ブ２０１の共振点にコントロールされた駆動波形をアク
チュエータ２０２に印加することで、プローブ２０１を
共振点で加振させる。
トロール回路２０９に入力する。周波数コントロール回
路２０９は、波形発生器２１１の発振周波数を、常にプ
ローブ２０１の共振周波数と同じ周波数になるようにコ
ントロールするような動作を行う。波形発生器２１１
は、位相検出回路２１０の出力を参照して、ＶＣＯ（電
圧制御発振回路）等、外部の信号によってその発振周波
数を変化できる素子とその周波数信号の振幅を調整する
回路で構成される。波形発生器２１１を用いて、プロー
ブ２０１の共振点にコントロールされた駆動波形をアク
チュエータ２０２に印加することで、プローブ２０１を
共振点で加振させる。
【００１９】周波数コントロール回路２０９の構成を図
３に示す。周波数コントロール回路２０９は、加算器Ａ
３０１・加算器Ｂ３０２・スイッチ３０３・参照信号発
生回路Ａ３０４・参照信号発生回路Ｂ３０５・積分回路
３０６で構成される。参照信号発生回路Ａ３０４は直流
信号を出力し、加算器Ａ３０１で位相検出回路２１０の
出力から直流成分を除去し、信号の変化分（位相の変化
量）を積分回路３０６に入力する動作を行う。加算器Ｂ
３０２では、スイッチ３０３を介して積分回路３０６の
出力と参照信号発生回路Ｂ３０５の信号の和を取るよう
な動作を行う。また、積分回路３０６の出力は、サーボ
回路２１２に入力される。
３に示す。周波数コントロール回路２０９は、加算器Ａ
３０１・加算器Ｂ３０２・スイッチ３０３・参照信号発
生回路Ａ３０４・参照信号発生回路Ｂ３０５・積分回路
３０６で構成される。参照信号発生回路Ａ３０４は直流
信号を出力し、加算器Ａ３０１で位相検出回路２１０の
出力から直流成分を除去し、信号の変化分（位相の変化
量）を積分回路３０６に入力する動作を行う。加算器Ｂ
３０２では、スイッチ３０３を介して積分回路３０６の
出力と参照信号発生回路Ｂ３０５の信号の和を取るよう
な動作を行う。また、積分回路３０６の出力は、サーボ
回路２１２に入力される。
【００２０】つぎに、周波数コントロール回路２０９の
具体的な動作を次に述べる。まず始めに、スイッチ３０
３はＧＮＤと接続する。加算器Ｂ３０２からは参照信号
発生回路Ｂ３０５の出力信号成分のみ反映された信号が
出力される。プローブ２０１先端が外力（原子間力）の
及ばない位置までサンプルとの距離を離した状態で、参
照信号発生回路Ｂ３０５の出力信号を変化させ、波形発
生器２１１から出力される信号の周波数を、プローブ２
０１の共振周波数と同じ周波数になるように調節する。
具体的な動作を次に述べる。まず始めに、スイッチ３０
３はＧＮＤと接続する。加算器Ｂ３０２からは参照信号
発生回路Ｂ３０５の出力信号成分のみ反映された信号が
出力される。プローブ２０１先端が外力（原子間力）の
及ばない位置までサンプルとの距離を離した状態で、参
照信号発生回路Ｂ３０５の出力信号を変化させ、波形発
生器２１１から出力される信号の周波数を、プローブ２
０１の共振周波数と同じ周波数になるように調節する。
【００２１】ここで、スイッチ３０３を用いてプローブ
２０１の加振系のループを切断したのは、周波数調整中
（特にプローブ２０１を加振させた瞬間）の回路誤動作
の影響を防止するためである。プローブ２０１をその共
振周波数で加振させた後、スイッチ３０３を切り替え、
積分回路３０６と加算器Ｂ３０２を接続する。図５のよ
うにプローブ２０１の共振点がｆ0からｆ1にシフトした
場合、加振点ｆ0（アクチュエータ２０２による）での
位相はＰ0からＰ1に変化するので、この位相差ΔＰをキ
ャンセルするように加算器Ａ３０１・積分回路３０６を
用いて制御することによってプローブ２０１を共振点で
加振させることを可能にする。
２０１の加振系のループを切断したのは、周波数調整中
（特にプローブ２０１を加振させた瞬間）の回路誤動作
の影響を防止するためである。プローブ２０１をその共
振周波数で加振させた後、スイッチ３０３を切り替え、
積分回路３０６と加算器Ｂ３０２を接続する。図５のよ
うにプローブ２０１の共振点がｆ0からｆ1にシフトした
場合、加振点ｆ0（アクチュエータ２０２による）での
位相はＰ0からＰ1に変化するので、この位相差ΔＰをキ
ャンセルするように加算器Ａ３０１・積分回路３０６を
用いて制御することによってプローブ２０１を共振点で
加振させることを可能にする。
【００２２】参照信号発生回路Ａ３０４はＰ0に相当す
る参照信号を出力し、加算器Ａ３０１では、この参照信
号とＰ1に相当する信号（位相検出回路２１０の出力）
の差（エラー信号）を検出し、積分回路３０６にエラー
信号を入力することで上記動作を実現する。
る参照信号を出力し、加算器Ａ３０１では、この参照信
号とＰ1に相当する信号（位相検出回路２１０の出力）
の差（エラー信号）を検出し、積分回路３０６にエラー
信号を入力することで上記動作を実現する。
【００２３】プローブ２０１とサンプル２０３の距離制
御は、サーボ回路２１２を用いて、プローブ２０１の共
振点のシフト量が一定になるようにスキャナ２０５をＺ
（サンプル２０３に対して垂直）方向に制御を行う。こ
のように、本発明では、ゲインコントロール回路と位相
シフタを用いずに、プローブの共振点で加振を行うこと
を可能にする。
御は、サーボ回路２１２を用いて、プローブ２０１の共
振点のシフト量が一定になるようにスキャナ２０５をＺ
（サンプル２０３に対して垂直）方向に制御を行う。こ
のように、本発明では、ゲインコントロール回路と位相
シフタを用いずに、プローブの共振点で加振を行うこと
を可能にする。
【００２４】
【実施例】本発明の実施例における非接触型原子間力顕
微鏡においては、プローブ２０１は共振周波数３８０Ｋ
Ｈｚ、振動系の鋭さを表すＱ値が大気中で４００のもの
を使用した。アクチュエータ２０２は圧電セラミックス
を用いた。光電変換素子２０７は４分割フォトダイオー
ドを用いた。スキャナ２０５はＸＹＺ方向に走査可能な
チューブピエゾを用いた。Ｉ／Ｖ変換回路２０８・加算
器Ａ３０１・加算器Ｂ３０２・積分回路３０６・ＬＰＦ
４０３は、ＯｐＡｍｐ等のＩＣや抵抗・コンデンサ等の
素子で構成される、一般的な回路構成を用いた。２値化
回路４０１はコンパレータを用いた。スイッチ３０３は
機械スイッチを用いた。位相検出回路２１０は、パッケ
ージされたＩＣ、７４ＨＣＴ９０４６（ＰＨＩＬＰＳ
社）の位相比較器を利用した。
微鏡においては、プローブ２０１は共振周波数３８０Ｋ
Ｈｚ、振動系の鋭さを表すＱ値が大気中で４００のもの
を使用した。アクチュエータ２０２は圧電セラミックス
を用いた。光電変換素子２０７は４分割フォトダイオー
ドを用いた。スキャナ２０５はＸＹＺ方向に走査可能な
チューブピエゾを用いた。Ｉ／Ｖ変換回路２０８・加算
器Ａ３０１・加算器Ｂ３０２・積分回路３０６・ＬＰＦ
４０３は、ＯｐＡｍｐ等のＩＣや抵抗・コンデンサ等の
素子で構成される、一般的な回路構成を用いた。２値化
回路４０１はコンパレータを用いた。スイッチ３０３は
機械スイッチを用いた。位相検出回路２１０は、パッケ
ージされたＩＣ、７４ＨＣＴ９０４６（ＰＨＩＬＰＳ
社）の位相比較器を利用した。
【００２５】波形発生器２１１の発振周波数は、周波数
コントロール回路２０９によって制御されるが、ここで
はＶＣＯとＶＣＯの出力値の振幅を調整する回路で構成
した。場合によってはフィルタを挿入してもよい。ＶＣ
Ｏとして７４ＶＨＣ４０４６（Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ Ｓ
ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社）、振幅調整用の回路はＯ
ｐＡｍｐと抵抗で構成される一般的な増幅回路で構成し
た。サーボ回路２１２はＰＩ（比例・積分）制御を行う
回路構成で実現した。本実施例の装置を用いて、Ｓｉ基
板の観察実験を行ってみたところ、シフトした共振点に
おいてもプローブの加振が安定に制御されていることを
確認した。
コントロール回路２０９によって制御されるが、ここで
はＶＣＯとＶＣＯの出力値の振幅を調整する回路で構成
した。場合によってはフィルタを挿入してもよい。ＶＣ
Ｏとして７４ＶＨＣ４０４６（Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ Ｓ
ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社）、振幅調整用の回路はＯ
ｐＡｍｐと抵抗で構成される一般的な増幅回路で構成し
た。サーボ回路２１２はＰＩ（比例・積分）制御を行う
回路構成で実現した。本実施例の装置を用いて、Ｓｉ基
板の観察実験を行ってみたところ、シフトした共振点に
おいてもプローブの加振が安定に制御されていることを
確認した。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、プローブの共振周波数
と同じ周波数に制御された駆動周波数によって、プロー
ブを共振点で加振する強制振動系のプローブ加振機構を
構成することで、位相遅れを大幅に改善することがで
き、装置動作の安定化を図ることが容易となり、急激な
周波数または位相変化が起きた場合でも、プローブの加
振が継続され、安定的な動作の実現が可能となる信号検
出装置、及び信号検出装置を用いた非接触型原子間力顕
微鏡を実現することができる。
と同じ周波数に制御された駆動周波数によって、プロー
ブを共振点で加振する強制振動系のプローブ加振機構を
構成することで、位相遅れを大幅に改善することがで
き、装置動作の安定化を図ることが容易となり、急激な
周波数または位相変化が起きた場合でも、プローブの加
振が継続され、安定的な動作の実現が可能となる信号検
出装置、及び信号検出装置を用いた非接触型原子間力顕
微鏡を実現することができる。
【図１】従来例における非接触型原子間力顕微鏡（ｎｃ
ＡＦＭ）の構成を示す図である。
ＡＦＭ）の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態における非接触型原子間力顕
微鏡（ｎｃＡＦＭ）の構成を示す図である。
微鏡（ｎｃＡＦＭ）の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態における周波数コントロール
回路の構成を示す図である。
回路の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態における位相検出回路の構成
を示す図である。
を示す図である。
【図５】本発明の実施形態におけるプローブの共振周波
数と位相の関係を示す図である。
数と位相の関係を示す図である。
１０１、２０１：プローブ
１０２、２０２：アクチュエータ
１０３、２０３：サンプル
１０４、２０４：ＸＹコントローラ
１０５、２０５：スキャナ
１０６、２０６：レーザダイオード
１０７、２０７：光電変換素子
１０８、２０８：Ｉ／Ｖ変換回路
１０９：ゲインコントロール回路
１１０、２１０：位相検出回路
１１１：位相シフタ
１１２、２１２：サーボ回路
２０９：周波数コントロール回路
２１１：波形発生器
３０１：加算器Ａ
３０２：加算器Ｂ
３０３：スイッチ
３０４：参照信号発生回路Ａ
３０５：参照信号発生回路Ｂ
３０６：積分回路
４０１：２値化回路
４０２：位相比較回路
４０３：ＬＰＦ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 2F069 AA57 AA60 GG04 GG07 GG20
GG62 HH30 JJ14 JJ25 LL03
MM02 MM24 MM34 NN04 NN06
NN08
Claims (6)
- 【請求項１】加振手段によってプローブを共振点で加振
させ、非接触のもとでのサンプル表面とプローブの探針
との間の物理的相互作用によるプローブの共振周波数の
シフト量に相当する信号を検出する信号検出装置におい
て、 前記加振手段が、プローブの共振周波数の位相変化に基
づいて制御された駆動周波数によって、該プローブを共
振点で加振するプローブ加振機構によって構成されてい
ることを特徴とする信号検出装置。 - 【請求項２】前記プローブ加振機構が、プローブの共振
周波数の周波数シフト量に相当する信号を位相シフト量
として検出する位相検出回路と、 前記位相検出回路による検出信号を参照して、プローブ
加振用のアクチュエータを駆動する波形発生器の駆動周
波数を制御する周波数コントロール回路と、を有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の信号検出装置。 - 【請求項３】前記周波数コントロール回路は、前記検出
信号と前記加振手段を加振する加振信号との位相差を一
定にする制御手段を有することを特徴とする請求項２に
記載の信号検出装置。 - 【請求項４】前記周波数コントロール回路は、参照信号
発生回路と加算器と積分回路とスイッチを有し、該スイ
ッチによって前記参照信号発生回路による周波数調整中
の回路の誤動作を防止するように構成したことを特徴と
する請求項２または請求項３に記載の信号検出装置。 - 【請求項５】前記位相検出回路は、２値化回路，２値化
回路の出力と波形発生器の出力の位相差を比較する位相
比較回路，ロー・パス・フィルター，参照信号発生回路
を有し、前記参照信号発生回路の出力周波数に対する前
記２値化回路の出力周波数の位相のずれ量によって、プ
ローブの共振周波数の周波数シフト量を検出するように
構成されていることを特徴とする請求項２〜請求項４の
いずれか１項に記載の信号検出装置。 - 【請求項６】加振手段によってプローブを共振点で加振
させ、サンプル表面とプローブの探針との間の物理的相
互作用によるプローブの共振周波数のシフト量に相当す
る信号を検出する信号検出装置を備え、該信号検出装置
による検出信号を用いてサンプル表面を非接触に観察す
る非接触型原子間力顕微鏡において、 前記信号検出装置が、請求項１〜５のいずれか１項に記
載の信号検出装置によって構成されていることを特徴と
する非接触型原子間力顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001398610A JP2003194699A (ja) | 2001-12-27 | 2001-12-27 | 信号検出装置、及び信号検出装置を用いた非接触型原子間力顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001398610A JP2003194699A (ja) | 2001-12-27 | 2001-12-27 | 信号検出装置、及び信号検出装置を用いた非接触型原子間力顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003194699A true JP2003194699A (ja) | 2003-07-09 |
Family
ID=27603961
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001398610A Pending JP2003194699A (ja) | 2001-12-27 | 2001-12-27 | 信号検出装置、及び信号検出装置を用いた非接触型原子間力顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003194699A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007333432A (ja) * | 2006-06-12 | 2007-12-27 | Research Institute Of Biomolecule Metrology Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡及び検査方法 |
| WO2008015916A1 (en) * | 2006-07-31 | 2008-02-07 | Japan Science And Technology Agency | Scanning probe microscope |
| WO2008029562A1 (en) * | 2006-09-04 | 2008-03-13 | National University Corporation Kanazawa University | Atomic force microscope |
| WO2011126232A2 (ko) * | 2010-04-05 | 2011-10-13 | (주)나노포커스 | 원자현미경 |
| JP2013088186A (ja) * | 2011-10-14 | 2013-05-13 | Olympus Corp | 走査型プローブ顕微鏡およびその位相調整方法 |
| US9335341B2 (en) | 2011-10-14 | 2016-05-10 | Olympus Corporation | Scanning probe microscope and control method thereof |
-
2001
- 2001-12-27 JP JP2001398610A patent/JP2003194699A/ja active Pending
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007333432A (ja) * | 2006-06-12 | 2007-12-27 | Research Institute Of Biomolecule Metrology Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡及び検査方法 |
| JP5095619B2 (ja) * | 2006-07-31 | 2012-12-12 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 走査プローブ顕微鏡装置 |
| WO2008015916A1 (en) * | 2006-07-31 | 2008-02-07 | Japan Science And Technology Agency | Scanning probe microscope |
| JPWO2008015916A1 (ja) * | 2006-07-31 | 2009-12-17 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 走査プローブ顕微鏡装置 |
| US7904966B2 (en) | 2006-07-31 | 2011-03-08 | Japan Science And Technology Agency | Scanning probe microscope apparatus |
| WO2008029562A1 (en) * | 2006-09-04 | 2008-03-13 | National University Corporation Kanazawa University | Atomic force microscope |
| US7975315B2 (en) | 2006-09-04 | 2011-07-05 | National University Corporation Kanazawa University | Atomic force microscope |
| WO2011126232A2 (ko) * | 2010-04-05 | 2011-10-13 | (주)나노포커스 | 원자현미경 |
| WO2011126232A3 (ko) * | 2010-04-05 | 2012-03-15 | (주)나노포커스 | 원자현미경 |
| KR101218177B1 (ko) | 2010-04-05 | 2013-01-18 | (주)나노포커스 | 원자현미경 |
| JP2013088186A (ja) * | 2011-10-14 | 2013-05-13 | Olympus Corp | 走査型プローブ顕微鏡およびその位相調整方法 |
| US9335341B2 (en) | 2011-10-14 | 2016-05-10 | Olympus Corporation | Scanning probe microscope and control method thereof |
| US9977049B2 (en) | 2011-10-14 | 2018-05-22 | Olympus Corporation | Scanning probe microscope and control method thereof |
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